一种高灵敏度液面探测系统的设计及其临床应用*

张星原，龙 伟，卢 斌，万里霞

（南昌大学信息工程学院，江西南昌 330031）

0 引言

液面探测（liquid level detection，LLD）系统是医学临床全自动检验仪器必不可少的一项核心功能组件，其通过控制采样针探入待转移液体的深度，从而最大程度地解决因采样针外表面附着液体引起的仪器交叉污染高和加样误差大的问题［1］。高可靠、高灵敏度的液面探测系统不仅可降低采样针外表面液体携带量，同时也可避免仪器采样系统“空吸”和“撞针”等误动作。

目前，液面探测技术主要有非接触式和接触式2种技术。虽然非接触式液面探测技术，如超声波法等已日臻成熟，但其结构复杂，实现成本居高不下［2］，难以在一般中小型临床全自动检验仪器中推广。接触式液面探测技术结构简单、成本低、工程应用广，目前主要有气压法、机械振动法、电阻法和电容法［3］。气压法主要应用于一次性加样头;机械振动法适合于液体表面有泡沫和样本管盖有橡胶塞的情况;电阻法因需要电极与液体直接接触，从而增大了交叉污染的可能性且其两电极间的距离对探测系统测量精度影响较大。

针对上述现状，本文介绍了一种应用于全自动生化分析仪中高灵敏度液面探测系统的设计。系统采用接触式电容法，以强绝缘金属双套管采样针作为探测传感器，并结合基于锁相环相位比较器的电容检测电路和自适应有效脉冲识别算法的运用，克服了传统接触式电阻法的缺陷，达到了提高分析仪工作可靠性和检测精度的目的，对提高国内乡镇、社区基层医院的整体医疗诊断水平具有重要的现实意义［4］。

1 液面探测系统的工作原理

目前全自动生化分析仪是通过采样针系统模拟手工进行试剂和样品的加注［5］。本文设计的全自动生化分析仪用液面探测系统的原理如框图1所示。液面探测系统主要包括采样针、检测电路板和脉冲识别MCU三大部分，其中，电容检测电路由振荡与分频电路、锁相环与滤波电路、放大电路及比较电路组成。

图1 液面检测系统原理框图Fig 1 Principle block diagram of liquid level detection system

该液面探测系统采用相移法来检测采样针电容的变化［6］，其工作过程为:当采样针与待转移液体液面接触时，金属双套管之间的电容值发生骤变，电容的变化引起相位变化，其经锁相环相位比较器后可输出一误差电压，再经低通滤波与放大，与比较电路相比后，液面检测板输出一个高电平脉冲信号，送至脉冲识别MCU中，通过自适应有效脉冲识别算法来判断采样针是否接触到液面，进而完成采样针动作启停的控制。

2 液面检测系统的硬件组成

2.1 采样针（电容传感器）

接触式液面探测中电阻法是在采样针上安装2个金属电极，随着采样针伸入液面，2个电极间的电阻突然减少，依据这个变化来判断采样针是否接触到了液体，以实现液面探测的功能。

因电阻法增加了一个直接与待转移液体接触的电极，一方面增加了交叉污染和针外携带量概率的风险，另一方面存在两电极间的距离很难选择，大了不适于小口径液体容器，小了两电极间容易形成液体连接膜从而引起误检测的缺陷，该方法已逐渐被淘汰［7］。

本文选用了目前应用广泛的接触式电容法用以液面探测。所谓接触式电容法是以由双层金属管内外嵌套，同时两管之间填充了绝缘材质的采样针作为电容传感器的探测方法。采样针的内外针管相当于电容器的两极板，其工作原理为:当采样针接触液体瞬间时，动极板面积突然增大且两极板间距离骤然减小，从而引起电容值骤然增大，以电容值的变化来判断采样针是否到达液面。

采样针作为接触式电容法中的核心传感部件应满足以下条件:采样针两层金属套管之间需具有足够强的绝缘性，以便电容器能长期保持工作稳定性;采样针内管针的内外表层需足够光滑，以减少针外液体残留量;内管针内径应足够细，以降低转移液体的损耗量。为此，本文设计了如图2所示的采样针。

图2 采样针示意图Fig 2 Schematic diagram of sampling needle

其中，内针管的内孔直径为0.6 mm，内外表层均采用60 nm抛光技术处理;外针管的内孔直径为1.4 mm，内外表层的粗糙度系数为2.0;内绝缘层由特氟龙套管和绝缘胶组成，绝缘胶填充了内、外针管间的所有间隙空间;外绝缘层为特氟龙涂层。采样针实物如图3所示。

图3 采样针实物图Fig 3 Physical map of sampling needle

2.2 电容检测电路

接触式电容液面探测技术的核心是检测传感器（采样针）的电容值变化，可见，电容检测电路的可靠设计是保证液面探测系统工作稳定性的关键技术。

检测电容值变化的硬件电路通常采用相移法、幅度法、扫频法和谐振法等［8］，各医疗厂商检测电路的实现形式各异，但大多存在结构复杂，成本高的缺陷。本文介绍的电容检测电路以相移法原理为基础，将电容值变化引起相位的变化通过锁相环相位比较器转换为一误差电压输出，再经滤波、放大和比较后形成一高电平脉冲，MCU（单片机）只需记录和比较脉冲信号持续时间就可判断采样针是否接触到液面，从而实现液面探测的功能。

电容检测电路由振荡与分频电路、锁相环与滤波电路、滤放大电路及比较电路等主要部分组成。

2.2.1 振荡与分频电路

振荡与分频电路的作用是提供锁相环相位比较器的输入信号［9］，其作为整个锁相环相位比较器的基准。电路原理如图4所示。

图4 振荡与分频电路原理图Fig 4 Principle diagram of oscillating and frequency dividing circuit

图4中，芯片U1选用厂商TXC生产的FC—135型石英晶振，其振荡频率为6.0 MHz;芯片U2选用美国TI公司生产的CD4024BCM型分频器，分频后，输出信号V1的频率为1.5 MHz。

2.2.2 锁相环与滤波电路

锁相环为该检测电路的实现核心。本设计的关键在于利用锁相环可实现相位自动同步控制的特性［10］，通过锁相环内部集成的相位比较器将采样针接触液面时电容值变化而引起的相位变化转换为一误差电压输出，再经过滤波后形成一稳定的电压信号。该部分的电路原理如图5所示。

图5 锁相环与滤波电路原理图Fig 5 Principle diagram of PLL and filtering circuit

图5中，锁相环选用美国AD公司生产的CD4046典型芯片搭建［11］，并以芯片中集成的相位比较器II用于相位鉴别。上一级振荡与分频电路输出的V1信号输入U3的14引脚作为相位比较器II的输入基准信号Vi，与由芯片6脚输入的电容C1，11脚连接的电阻器R1和12脚连接的电阻器R2组成的压控振荡器的输出信号V0进行比较，当两者的信号频率出现偏差时，即可输出一误差电压ΔV。

在实际应用中，在采样针未接触液面的状态时，需先调节电位器RW201的阻值，以使Vi和V0两信号频率达到平衡态，该过程通过观察电路中一状态灯的熄亮完成。在仪器自动工作过程中，当采样针接触到液面时，其电容Probe值（采样针一极板的输出信号，另一极板与整个电网共地）将瞬间增大，引起V0信号的频率改变，从而形成与基准信号Vi的相位差，产生一误差电压ΔV，经RC网络滤波后输出电压信号ΔVOUT。

2.2.3 放大与比较电路

实测过程中，当采样针接触液面时，上一级电路输出的ΔVOUT信号电压范围为 2.0～3.6 mV，该信号需放大、整形后方可被MCU采集和识别。本文设计的放大与比较电路如图6所示。

图6中，放大和比较电路由美国Dallas公司生产的LM358AD芯片搭建。其中前级A运算放大器作信号增益，后级B运算放大器作信号比较之用。

通过以上分析、计算可知，在上述电路设计下，当采样针接触液面时，可正常检测出采样针电容值的变化，并输出有效脉冲波形。

3 液面探测系统的软件设计

3.1 有效脉冲信号特征

采样针向下运动探测到液面，至完成样品吸取后离开液面这一完整的加样过程中，脉冲信号Water_Det_out的典型特征如图7所示。

图6 放大与比较电路原理图Fig 6 Principle diagram of amplifying and comparison circuit

图7 完整加样过程脉冲信号Water_Det_out典型特征图Fig 7 Pulse signal characteristic graph of adding sample

图7表征的为采样针一个完整加样过程中脉冲信号Water_Det_out的典型特征变化。

T0之前，采样针处于水平和下行动作阶段，未接触到液面，故Water_Det_out表现为低电平;T0—T3阶段为采样针接触液面完成样品加注过程，表现为+5 V高电平，该过程为本小结重点阐述部分;T3之后为采样针离开液面阶段。

T0—T3过程中，ΔT1是检测采样针是否真实接触到液面的时间特征量。只有当检测到脉冲信号Water_Det_out高电平的持续时间大于等于ΔT1时，方判断采样针有效接触到液面，完成液面探测。其中，ΔT1大小的确定与采样针下行的速度呈反比关系。ΔT2为当采样针真实接触到液面后继续下行的时间特征量，该量与采样的下行速度呈反比，与当前过程的吸液量呈正比，即当吸液量比较大时，采样针探入液面的深度需较大;否则，将导致采样量不足。

ΔT3为采样针下行停止后注射器吸样动作的时间特征量，其与采样针注射器的动作速度呈反比。

从上述分析可得出，特征量ΔT1为液面探测系统是否真实有效接触到液面的判断依据，而该特征量需根据当前采样周期的采样针下行速度在线自适应计算和调整，为此，识别算法需引入在线自适应理念［12］。

3.2 自适应脉冲识别算法的软件实现

软件设计的核心是在加样过程中完成对探测系统是否真实检测到液面的有效判断，同时对采样针准确运动进行控制，进而最大限度地降低采样针表面液体携带量。

软件设计中，对脉冲信号Water_Det_out的有效识别是关键。结合文中3.1节的论述可知，液面探测过程中脉冲信号 Water_Det_out的时间特征量 ΔT1，ΔT2，ΔT3需通过算法的自适应计算在线调整。

特征量ΔT1，ΔT2和ΔT3的计算是在当前加样周期采样针完成水平动作之后，下行动作之前完成的，在软件实现中3个参数定义为变量Δt1，Δt2和Δt3，同时为匹配仪器不同时刻采样针下行速度v和吸液量Q的变化，3个参数值在线自适应计算和调整。

图8为软件实现的流程图。

图8 软件流程图Fig 8 Software flow chart

4 测试数据与分析

仪器加样量准确性和样品交叉污染率的检验数据如表1和表2所示。

表1 加样量检验数据Tab 1 Test data of sampling quantity

从表1数据可看出:仪器达到了在最小2 μL样品时加样误差不大于±3%和样品交叉污染率不大于0.3%的性能指标，完全满足全自动生化分析仪国家医药行业标准中的相关要求。

表2 交叉污染检验数据Tab 2 Test data of cross-contamination

5 结束语

本文讨论了一种基于接触式电容法原理的全自动生化分析仪用液面探测系统的设计与实现。系统创新地将锁相环相位比较和自适应有效脉冲识别技术应用于设计开发中，实现了实用且高性能的液面探测功能。

此外，整个系统硬件、软件设计均具有简单、可靠的特点，有很强的通用性，对其他临床全自动检验设备，如全自动尿液分析仪、血凝分析仪液面探测系统的实现均有借鉴意义。

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